第九章-膜分离

第九章

膜分离教师：曾涛1、膜分离的概念：利用天然或人工合成膜的选择性，以外界能量或化学位差或电位差作推动力，以膜的两侧存在的能量差作为推动力，因溶液中各组分透过膜的迁移速率不同而实现混合物进行分离、提纯和富集。2、膜分离技术的类型和定义膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类：（1）微滤：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；（2）超滤：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02μm，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；（3）反渗透：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001~0.001μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；本章目录（4）纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm（5）电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；膜分离具有分离温度低，无相变，能耗低等特点。常见膜分离过程见P205表7-1本章目录一、膜的概念1、膜的定义

在一种流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜必须具有两个界面膜具有选择透过性本章目录2、膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜本章目录天然膜生物膜天然物质改性膜人工膜无机膜金属膜非金属膜有机膜均质膜微孔膜非对称性膜复合膜离子交换膜二、设备：板框式

卷式

管式膜性能：1.分离透过性

a.透过通量单位时间通过单位膜面积的物理量。

b.分离效率用截留率表示：（R）截留率；表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。

c.分离系数：（）ad.通量率减系数膜渗透通量随时间减少对膜材料的特性的要求对于不同种类的膜都有一个基本要求：（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般膜分离操作的压力范围在0.1~0.5MPa

反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa（2）耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要（3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；（4）化学相容性：保持膜的稳定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的变性；（6）成本低；本章目录二、膜组件（1）板框式膜具↑↑（2）卷式膜具由四层组成膜盐水中心管多孔支撑材料进料液隔网淡化水流（3）管式膜具纤维束管中心分布管透过液浓缩液料液返回9.2反渗透

透过：溶剂截留：水中无机离子、胶体物质、大分子溶液应用：

海水、苦咸水淡化；废水处理；锅炉用水软化；乳品、果汁浓缩；生产产品、生物制剂的分离、浓缩。P1P2C.P2﹣P1>∏P1P2P1<P2且：P2﹣P1=∏一、基本原理盐水溶液：膜纯水

P1溶液

P2a.P1=P2溶液中水的化学势纯水的化学势纯水的a＝1,溶液中水的活度a<1,即RTlna<0则其结果是水从纯水一侧透过半透膜向溶液侧渗透，使后者的液位抬高,直至溶液液柱升至一定高度H并保持不变，两侧静压差即等于纯水和盐溶液之间的渗透压π。本章目录如果在溶液一侧施加一压力，外界力做功使溶液中水的化学势升高，则纯水通过膜的渗透就会逐渐减小，当压力为P2时，渗透最终停止，此时的压力差就是溶液的渗透压。

当时，水将从溶液一侧向纯水一侧移动，此种渗透称之为反渗透。讨论：盐水溶液为水的渗透压。）。；水达到动态平衡（图时开始升高，若由于水的渗透，（（pmmpbPPPPTPT0),),12212.2==-溶液中水反渗透，使溶液增浓。对于实际反渗透过程：

溶剂渗透时，少量溶质也渗透，两边都有溶质，溶质与水之间各有渗透压，对于正常操作：二、过程机理

1）优先吸附-毛细孔流机理

2）溶解-扩散ⅰ）水优先吸附膜表面，形成纯水层厚度t=1nmⅱ）无机离子受排斥，不能进入纯水层，价数越高，斥力越强。ⅲ）当膜孔径≤2t时，透过的是纯水，孔径增大，溶质开始透过，越大，透过溶质越多。

∴孔径为2t时称临界孔径。优先吸附——毛细孔流动模型多孔膜多孔膜界面上的脱盐水溶解-扩散第一步：溶剂和溶质在膜上游侧吸附溶解第二步：溶质和溶剂在化学位梯度作用下，以分子扩散形式透过膜第三步：透过物在膜下游侧表面解吸。三、浓差极化

这种现象为浓差极化xA1XMAiXAiXMA2XA2溶质在膜表面附近积累传质方向浓差极化对过程的不利影响：1）使2）使截留率下降3）XAi高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增加。减轻浓差极化的有效途径：

提高传质系数方法：

增加料液流速；增加湍流速度；提高温度；清洗膜面。反渗透过程通量与下列因数有关：（1）操作压差：△P△P↑,使JW=A（△P—△)↑

但有能耗大。∴选择适当的△P

(2)操作温度:TT↑,使纯水的透过系数A↑,J↑

但受膜耐温所限。

(3)料液流速流速大,传质系数大。但溶质的渗透通量JA大。p（4）料液的浓缩程度浓缩程度高，水回收率高。但：①有效压差小；

②污染膜。（5）膜材料与结构（主要研究方向）五、应用举例1.反渗透（RO）技术在果蔬汁浓缩中应用超滤反渗透2.反渗透法浓缩茶液2.反渗透法浓缩茶液返回9.3超滤与微滤一、过程原理：

1.超滤过程膜:非对称性膜,表面活性层孔径10-200Å微孔,

能截留分子量500以上大分子或胶体微粒.压差:0.1-0.5MPa原理:原料液在压差作用下,小分子物质与小分子量物质透过膜上微孔,流到低压侧.机理:筛分机理.超滤：进料溶剂、水胶体大分子应用：1.纯水制造电子工业：超纯水；医药工业：注射剂、眼药水。

2.废水处理回收有用的物质

3.产品加工各种大分子物质分离，浓缩。2.微滤过程(微孔过滤)膜:微孔,均质的多孔膜,孔径0.02-10μ微孔,

能截留直径为0.05-10μ

的微粒或分子量大于的高分子压差:0.01-0.2MPa原理:原料液在压差作用下,小分子物质与小分子量物质透过膜上微孔,流到低压侧.机理:筛分机理.610二、过程与操作1.透过通量溶剂:溶质:2.影响因数(1)操作压差(推动力)

压差大,通量大,能耗大;

一般取一较好值(接近于凝界渗透通量时压差)(2)料液流速采用错流装置,使料液与膜面平行流动.

流速高,传质系数大,有利于提高渗透通量;

但:膜面压降大,能耗大.因此:可采用湍流促进器,脉冲流动等提高流速.(3)温度温度高,料液粘度小,扩散系数大,有利于提高渗透通量.(4)截留液浓度浓度增加,浓度边界层增厚,易形成凝胶层,使渗透通量减小.三、工艺流程和应用1.超、微滤流程透过液原料膜组件储槽2.超滤应用(1)食品、饮料工业超滤反渗透(2)失。（3）配制葡萄酒中酒的澄清（4）在药物制剂中的应用另外：a.对生物活性物质：酶、病毒、核酸、特殊蛋白等的分离提纯；b.从植物或动物中提取药物：如生物碱、荷尔蒙等；c.血液过滤除去有害成分或进行血清分离。（5）工业废水处理造纸工业废水：回收有用成分、水重新使用；食品工业废水：回收有用的高分子物质；纺织工业废水：含聚乙烯醇水处理、回收。3.微滤应用同于超滤，例：。返回9.3气体膜分离

利用气体混合物中各组分在致密膜中渗透速率的不同使各组分分离的过程。基本原理：

溶解——扩散模型

1.在膜高压侧，气体混合物中的渗透组分溶解在膜的表面上；

2.从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜低压侧；

3.在低压侧解吸到气相。二、影响渗透通量与分离系数的因素1、膜材料2、膜厚度活性厚度小，渗透通量大。通常制成具有极薄（小于500埃）致密活性层的非对称性膜和复合膜。，3、温度T上升，渗透通量增加。4、压力P上升，渗透通量增加。本章目录四、气体膜分离的应用1、工业气体中氢的回收2、氧氮分离3、天然气中氦的提取4、二氧化碳的分离本章目录电渗析技术是在直流电场的作用下，产生阴阳离子的定向迁移，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。一、电渗析的基本原理离子交换膜为由高分子材料制成的具有离子交换团的薄膜。阳膜带负电荷的固定基团吸引溶液中带正电荷的粒子，；阴膜带正电荷的固定基团吸引溶液中带负电荷的粒子，而排斥溶液中带负电荷的粒子。膜具有选择性。本章目录9.4电渗析电渗析的基本条件（1）直流电场使溶液中阳、阴离子作定向运动，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极；（2）离子交换膜的选择性透过，溶液中离子作反离子迁移。本章目录一、电渗析的基本原理1.采用的膜由高分子材料制成，具有粒子交换基团的薄膜。分：阳离子交换膜——阳膜

阴离子交换膜——阴膜阳膜：

例：磺酸型，R-SO3H——-SO3H为活性基因在水中离解，产生，进入水溶液。阴膜：例：季胺型，为活性基团，在水中离解，产生，进入水中。操作中：阳膜中带负电荷的基团“”吸引溶液中带正电荷的离子，排斥带负电荷的离子；

阴膜中带正电荷的基因“”吸引带负电荷的离子，排斥带正电荷的离子

这种现象称：反粒子迁移即：与膜所带电荷相反的离子穿过膜的现象称反粒子迁移。2.电渗析过程阳膜阴膜阴膜阳膜+++++++++++----------阳级阴级+—12345浓缩室浓缩室淡化室N+aN+aN+aN+a-Cl-Cl-Cl-Cl-ClN+aN+a-Cl过程：

1.两电极间交替放置阴阳离子膜；

2.在二膜形成的隔室中充入含离子水溶液；

3.接上电源后，溶液中带正点荷离子在电场作用下，向阴极方向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住，带负电荷离子反之。

4.结果

2、4隔室中离子浓度增加，3室离子浓度下降。电渗析的条件：

1.直流电场

使溶液中的阳、阴离子作定向运动

2.离子交换膜的选择透过

使溶液中离子作反离子迁移二、电渗析中传递过程（1）反粒子迁移；（2）同名离子迁移；（3）电解质离子迁移；（4）水的渗透；（5）渗漏；（6）水的电渗析。三、电极反应和电极电位浓、淡隔室及膜中导电：离子型电极上导电：电子型例：食盐水溶液四种离子：电极反应：在阳极：（氧化反应）特点：腐蚀设备。；另外，产生减少，极水呈酸性；HClClOOH22.2.1-在阴极：（还原反应）一般操作中；

要按一定时间调换电极；并排除或加入水。四、离子交换膜的选择透过实用膜应具备：

1.选择透过性良好；

2.膜阻小；

3.较好的化学稳定性；

4.较高的化学强度，良好的尺寸稳定性，较低的扩散性能；

5.便宜。评价膜好坏的方法：

1.反粒子迁移数；

2.膜的通过性。五、工艺流程1.循